KR101116178B1 - 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속재질의 판재 표면에 이온빔을 조사하여 판재의 손상 없이 내구성을 갖는 그리드를 형성할 수 있는 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법은, 박판성형에 사용되는 판재에 그리드를 형성하는 방법에 있어서, 그리드 패턴이 형성된 마스크를 판재 전면에 위치시키고, 이온원 장치에서 인출된 산소 이온빔을 가속관을 통해 가속시켜 상기 마스크를 통해 상기 판재에 주사하여, 상기 판재의 표면에 상기 판재의 구성 물질과 산소 이온의 결합을 통한 산화물을 형성함으로써 상기 판재의 표면에 상기 판재의 색상과 다른 색상을 갖는 그리드를 형성하는 것을 특징으로 한다.

박판성형, 변형률 측정, 그리드, 마스크, 이온주입, 이온원, 질량분리전자석, 가속관

Description

이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법{A method of forming grids on sheet metal using ion beam irradiation}

본 발명은 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속재질의 판재 표면에 이온빔을 조사하여 판재의 손상 없이 내구성을 갖는 그리드를 형성할 수 있는 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법에 관한 것이다.

통상적으로 자동차 차체 성형으로 대표되는 박판성형에 있어서, 판재의 변형률 측정은, 금형설계, 공정설계, 제품검사 등에 필요한 실험적 자료를 얻는데 필수적인 작업이다. 이러한 작업은 현재 대부분 박판 표면에 그리드를 형성하고, 박판을 성형한 후 그리드의 모양, 크기 변화 등을 통해 측정부위의 변형률을 측정하는 방법으로 진행되고 있다.

현재, 가장 널리 사용되고 있는 판재의 변형률 측정방법은, 박판 표면에 그리드를 형성하고, 가공 후 그리드 형상을 영상화하여 분석함으로써 측정 부위의 변형률 분포를 계산하는 3차원 자동 변형률 측정장치(ASAME : Automated Strain Analysis and Measurement Environment)가 사용되고 있다.

이러한 측정을 하기 위해서 박판에 그리드를 형성하는 방법으로는 전해에칭방법, 실크스크린 인쇄법 및 레이저를 이용하는 방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있다.

그 중, 전해에칭방법은 박판에 그리드가 형성될 부분을 제외한 나머지 부분에 전해액이 침투되지 않도록 코팅하는 작업이 필요하고, 박판을 에칭하여 그리드를 형성한 후에는 중화액을 이용하여 전해액을 중화시키는 과정이 수행되어야 한다.

그러나 이러한 방법은 그리드를 형성하기 위해 박판 표면을 에칭해야 하기 때문에 박판이 손상되고, 에칭 시 사용되는 전해액이나 중화액 등은 유독한 화학물질로서 인체에 유해하다는 문제점이 있다.

또한, 실크스크린 인쇄법은 박판 표면에 그리드를 형성하는데 많은 비용이 소요되고, 박판 표면에 인쇄된 물질이 박판성형 후 잘 지워진다는 단점이 있으며, 레이저를 이용한 방법은 레이저 빔으로 박판 표면에서 그리드가 형성될 부분을 녹여 증발시키는 과정을 통해 그리드를 형성하고 있어 박판에 손상을 준다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 박판성형에 사용되는 판재 전면(前面)에 원하는 형태의 그리드 패턴이 형성된 마스크를 설치하고, 이온원으로부터 특정 이온빔을 분리하여 판재에 조사하여 그리드를 형성함으로써 판재에 손상을 주지 않으면서 내구성을 갖는 그리드를 형성할 수 있는 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법은, 박판성형에 사용되는 판재에 그리드를 형성하는 방법에 있어서, 그리드 패턴이 형성된 마스크를 판재 전면에 위치시키고, 이온원 장치에서 인출된 산소 이온빔을 가속관을 통해 가속시켜 상기 마스크를 통해 상기 판재에 주사하여, 상기 판재의 표면에 상기 판재의 구성 물질과 산소 이온의 결합을 통한 산화물을 형성함으로써 상기 판재의 표면에 상기 판재의 색상과 다른 색상을 갖는 그리드를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법은, 박판성형에 사용되는 판재에 그리드를 형성하는 방법에 있어서, 그리드 패턴이 형성된 마스크를 판재 전면에 위치시키고, 이온원 장치에서 인출된 질소 이온빔을 가속관을 통해 가속시켜 상기 마스크를 통해 상기 판재에 주사하여, 상기 판재의 표면에 상기 판재의 구성 물질과 질소 이온의 결합을 통한 질화물을 형성함으로써 상기 판재의 표면에 상기 판재의 색상과 다른 색상을 갖는 그리드를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법은, 박판 표면에 특정 이온을 포함하는 이온빔을 조사하여 그리드를 형성함으로써 박판을 손상시키지 않으면서 박판성형 후에도 지워지지 않아 보다 정확하게 판재의 변형률을 측정할 수 있다는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법은, 성형가공을 위한 판재 전면(前面)에 그리드 패턴이 형성된 마스크를 밀착시키고, 이온원으로부터 발생된 이온빔을 가속시켜 마스크를 통해 판재에 주사하여 이온과 판재를 구성하는 원자를 서로 결합시킴으로써 그리드를 형성한다. 여기에서 판재에 주사되는 이온빔은 이온원에서 발생된 다양한 종류의 이온빔을 이온원에 연결된 질량분리전자석을 통과시키면서 원하는 이온빔만을 선별한 후 질량분리전자석에 연결된 가속관을 통해 적절한 에너지를 갖도록 가속된 것이다.

이때, 이온빔의 에너지가 지나치게 작은 경우에는 이온빔이 판재 내부로 충분하게 주입되지 않아 정확한 형상의 그리드를 형성할 수 없고, 이온빔의 에너지가 지나치게 큰 경우에는 이온빔이 불필요하게 판재의 너무 깊은 곳까지 주입되고 이로 인하여 많은 전력이 소모되기 때문에 본 발명에서는 이온빔의 에너지를 ~100keV 정도로 가속하여 판재에 주사하였다.

이렇게 이온빔을 선별하여 마스크를 통해 판재에 주사하면 선별된 이온빔이 판재를 구성하는 원자와 결합하여 판재의 손상 없이 지워지지 않는 그리드를 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법은 다음 과 같은 장치를 통해 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성장치의 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법을 통해 형성되는 그리드 패턴의 예를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성장치는, 이온빔을 생성하는 이온원(100)과, 이온원(100)의 일측에 연결되어 이온원(100)에서 생성되는 이온빔으로부터 원하는 종류의 이온빔을 분리하기 위한 질량분리전자석(200)과, 질량분리전자석(200)의 일측에 연결되어 질량분리전자석(200)으로부터 분리된 이온빔을 선별적으로 통과시키는 슬릿(210)과, 질량분리전자석(200)의 일측에 연결되어 슬릿(210)을 통과하는 이온빔을 원하는 에너지 레벨로 가속시키는 가속관(300) 및 가속관(300)과 판재(10) 사이에 구비되어 판재(10)에 조사되는 이온빔(500)의 형상을 조절하기 위한 마스크(400)를 포함하여 구성된다.

이온원(100)은 B⁺, P⁺, O⁺, N⁺ 등의 다양한 종류의 이온빔들을 생성하고, 질량분리전자석(200)은 이온원(100)에서 발생한 다양한 종류의 이온빔들 중 그리드를 형성하는데 필요한 이온빔만을 선별적으로 분리하며, 가속관(300)은 판재(10)에 적당한 깊이로 이온을 주입하기 위해 질량분리전자석(200)에서 분리된 이온빔의 에너지를 원하는 에너지 레벨로 가속시키는 역할을 수행한다.

이때, 이온원(100)에서 생성된 다양한 종류의 이온빔은 질량분리전자석(200) 을 통과하면서 서로 다른 궤도를 가지며 굴절되는데, 판재(10)의 재질에 따라 그리드를 형성하는데 필요한 이온빔만을 선별적으로 분리하기 위하여 질량분리전자석(200)의 일측에는 원하는 이온빔만을 선별적으로 통과시키기 위한 슬릿(210)을 구비함으로써 해당 이온빔이 슬릿(210)을 통과하여 가속관(300)으로 입사되도록한다.

이렇게 가속관(300)으로 입사된 이온빔은 판재(10)에 입사되어 그리드를 형성하는데 적합한 에너지 레벨을 갖도록 가속되어 판재(10)로 조사된다. 이때, 가속관(300)에서 가속되는 이온빔의 에너지 레벨이 너무 낮은 경우에는 판재(10)에 원하는 깊이로 입사되기 어렵고, 이온빔의 에너지가 지나치게 높은 경우에는 필요 이상으로 판재(10)에 깊게 입사되어 전력을 불필요하게 낭비하는 결과가 발생하기 때문에, 입사되는 이온빔의 에너지는 수 십 keV 내지 수 백 keV의 범위로 조절하는 것이 일반적이다. 본 실시예에서는 이온빔이 판재(10)의 표면으로부터 대략 0.1㎛ 정도의 깊이로 입사될 수 있도록 이온빔을 70keV 내지 130keV의 에너지를 갖도록 가속하였고, 일반적으로는 30keV 내지 300keV의 에너지 범위의 이온빔을 사용하는 것이 바람직하다.

마스크(400)는 가속관(300)과 판재(10) 사이에 구비되어 판재(10)에 이온빔이 조사되는 위치를 한정하는 역할을 수행하는데, 이때 마스크(400)는 판재(10)에 최대한 밀착시켜 설치함으로써 판재(10)에 그리드를 형성했을 때 마스크(400)에 형성된 그리드 패턴이 왜곡되어 형성되는 것을 방지한다.

판재(10)에 형성되는 그리드는 도 2에 도시된 바와 같이 격자형(a), 사각 형(b, c, d), 원형(e, f) 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 박판성형 가공을 위한 그리드 형상방법을 이용하여 판재 표면에 그리드를 형성하기 위한 실험한 결과에 대해서 설명한다.

본 실험에 적용된 실시예에서는 판재(10)의 재질과, 판재(10)의 재질에 따라 이온빔을 변화시키면서 판재(10) 표면에 그리드를 형성하였다.

(실시예 1)

판재(10)는 철합금을 이용하였고, 이온원(100)에서 생성된 이온빔을 질량분리전자석(200)을 통과시켜 산소빔을 분리한 후 가속관(300)에서 100keV로 가속시켜 마스크(400)를 통해 판재(10)에 조사하였다.

실험결과, 산소빔은 판재(10)에 ~ 0.1㎛ 깊이로 입사되었고, 철합금의 철(Fe)원자와 결합하여 산화물인 Fe₂O₃를 생성하여 붉은 색의 그리드를 형성하였다.

(실시예 2)

판재(10)는 알루미늄합금을 이용하였고, 이온원(100)에서 생성된 이온빔을 질량분리전자석(200)을 통과시켜 질소빔을 분리한 후 가속관(300)에서 100keV로 가속시켜 마스크(400)를 통해 판재(10)에 조사하였다.

실험결과, 질소빔은 판재(10)에 ~ 0.1㎛ 깊이로 입사되었고, 알루미늄합금의 알루미늄(Al)원자와 결합하여 질화물인 AlN을 생성하여 금색을 띄는 그리드를 형성하였다.

상기 실시예 1의 실험 결과에서는 판재(10)를 구성하는 은색 철함금과는 달리 붉은 색 그리드가 형성되고, 상기 실시예 2의 실험 결과에서는 판재(10)를 구성하는 은색 알루미늄합금과는 달리 금색 그리드가 형성되고 있다.

따라서 판재(10)에 이온빔을 주입하여 이온빔와 판재(10)를 구성하는 금속 원자의 화학적 결합을 통해 그리드가 형성되기 때문에 판재(10)의 손상 없이 내구성이 우수한 그리드의 형성이 가능함을 알 수 있었다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 박판 성형가공을 위한 그리드 형성장치의 구성을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 박판 성형가공을 위한 그리드 형성방법을 통해 형성되는 그리드 패턴의 예를 보여주는 도면.

<도면의 주요부에 대한 설명>

10 : 판재 100 : 이온원

200 : 질량분리전자석 210 : 슬릿

300 : 가속기 400 : 마스크

Claims (4)

1. 박판성형에 사용되는 판재에 그리드를 형성하는 방법에 있어서,

   그리드 패턴이 형성된 마스크를 판재 전면에 위치시키고,

   이온원 장치에서 인출된 산소 이온빔을 가속관을 통해 가속시켜 상기 마스크를 통해 상기 판재에 주사하여, 상기 판재의 표면에 상기 판재의 구성 물질과 산소 이온의 결합을 통한 산화물을 형성함으로써 상기 판재의 표면에 상기 판재의 색상과 다른 색상을 갖는 그리드를 형성하는 것을 특징으로 하는 박판 성형가공용 그리드 형성방법.
2. 박판성형에 사용되는 판재에 그리드를 형성하는 방법에 있어서,

   그리드 패턴이 형성된 마스크를 판재 전면에 위치시키고,

   이온원 장치에서 인출된 질소 이온빔을 가속관을 통해 가속시켜 상기 마스크를 통해 상기 판재에 주사하여, 상기 판재의 표면에 상기 판재의 구성 물질과 질소 이온의 결합을 통한 질화물을 형성함으로써 상기 판재의 표면에 상기 판재의 색상과 다른 색상을 갖는 그리드를 형성하는 것을 특징으로 하는 박판 성형가공용 그리드 형성방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 산소 이온빔은,

   상기 가속관을 통해 30keV ~ 300keV의 에너지를 갖도록 가속되는 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 질소 이온빔은,

   상기 가속관을 통해 30keV ~ 300keV의 에너지를 갖도록 가속되는 것을 특징으로 하는 이온빔을 이용한 박판 성형가공용 그리드 형성방법.

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